Привилегированный пользователь

Пользователь

Чтобы начать работать, человек должен войти в систему, введя свое account name и password. Человек, зарегистрированный в учетных файлах системы называется зарегистрированным пользователем системы. Регистрацию новых пользователей выполняет администратор системы.

Все пользователи ОС UNIX явно или неявно работают с файлами. Файловая система ОС UNIX имеет древовидную структуру. Промежуточными узлами дерева являются каталоги со ссылками на другие каталоги или файлы, а листья дерева соответствуют файлам или пустым каталогам. Каждому зарегистрированному пользователю соответствует некоторый каталог файловой системы, который называется home каталогом пользователя.

При входе в систему пользователь получает неограниченный доступ к своему домашнему каталогу и всем каталогам и файлам, содержащимся в нем.

Интерфейс пользователя

Взаимодействие пользователя с UNIX основывается на использовании командных языков. После входа пользователя в систему для него запускается один из командных интерпретаторов (в зависимости от параметров, сохраняемых в файле /etc/passwd). Обычно в системе поддерживается несколько командных интерпретаторов с похожими, но различающимися своими возможностями командными языками. Общее название для любого командного интерпретатора ОС UNIX - shell (оболочка), поскольку любой интерпретатор представляет внешнее окружение ядра системы.

Вызванный командный интерпретатор выдает приглашение на ввод пользователем командной строки, которая может содержать простую команду, конвейер команд или последовательность команд. После выполнения очередной командной строки и выдачи на экран терминала или в файл соответствующих результатов, shell снова выдает приглашение на ввод командной строки, и так до тех пор, пока пользователь не завершит свой сеанс работы командой logout или нажатием комбинации клавиш Ctrl-d.

Привилегированный пользователь

Администратор системы должен обладать большими возможностями, чем обычные пользователи. В ОС UNIX эта задача решается путем выделения одного значения UID (нулевого) (UID - User IDentifier) . Пользователь с таким UID называется суперпользователем (superuser) или root. Он имеет неограниченные права на доступ к любому файлу и на выполнение любой программы. Кроме того, такой пользователь имеет возможность полного контроля над системой. Он может остановить ее,разрушить. На суперпользователя не распространяются ограничения на используемые ресурсы.

Программы

ОС UNIX одновременно является операционной средой использования существующих прикладных программ и средой разработки новых приложений.

Приведем краткий обзор процесса разработки программы на языке Си, которую можно выполнить в среде ОС UNIX. Любая выполняемая программа компонуется из одного или нескольких объектных файлов. Поэтому разработка программы начинается с создания исходных файлов, содержащих текст на языке Си. Эти файлы могут содержать определения глобальных имен переменных и/или функций (имен, которые могут быть видимы из других файлов), а также ссылки на внешние имена (объявленные как глобальные в одном из других файлов, которые будут составлять программу).

Текстовые файлы производятся с помощью одного из текстовых редакторов(vi).

После того как текстовый файл создан, его нужно откомпилировать для получения объектного файла. (pcc и gcc)

После того как необходимый для построения выполняемой программы набор объектных файлов получен, необходимо произвести компоновку выполняемой программы редактором связей (link editor), вызывается командой ld. Редактору связей указывается набор объектных файлов и набор библиотек, из которых нужно черпать недостающие для компоновки программы - сначала просматривается набор заданных объектных файлов. Для каждого внешнего имени ищется объектный файл, содержащий определение такого же глобального имени. Если поиск заканчивается успешно, то внешняя ссылка заменяется на ссылку на определение глобального имени. Если в конце этого этапа остаются внешние имена, для которых не удалось найти соответствующего определения глобального имени, то начинается поиск объектных файлов с нужными определениями глобальных имен в указанных библиотеках. Если, в конце концов, удается найти определения для всех внешних имен, все соответствующие объектные файлы собираются вместе и образуют выполняемый файл.

Выполняемая программа может быть запущена в интерактивном режиме как команда shell или выполнена в отдельном процессе, образуемом уже запущенной программой.

Команды

Любой командный язык семейства shell состоит из трех частей: служебных конструкций (позволяют манипулировать с текстовыми строками и строить сложные команды на основе простых команд),встроенных команд (выполняемых непосредственно интерпретатором командного языка), команд, представляемых отдельными выполняемыми файлами (включает стандартные команды и команды, созданные пользователями системы).

Процессы

Для образования нового процесса и запуска в нем программы используются два системных вызова (примитива ядра ОС UNIX) - fork() и exec (имя-выполняемого-файла).

Ядро

Ядро контролирует доступ к компьютеру, управляет памятью компьютера, обслуживает файловую систему и распределяет ресурсы компьютера среди пользователей. На рис. 1 приведено функциональное представление ядра.

Ядро \ Распределение / \ ресурсов / \ системы / \ / Управление \ / Обслуживание памятью \/ файловой / \ системы / \ / Контроль \ / доступа \ / к компьютеру \

Рис. 1

Shell

shell - это программа, которая позволяет вам связываться с операционной системой. shell считывает команды, которые вы вводите, и интерпретирует их как запросы на выполнение других программ, на доступ к файлу или обеспечение вывода. shell также является мощным языком программирования, не похожим на язык программировани Си, который опеспечивает условное выполнение и управление потоками данных.

Команды

Программа - это набор инструкций для компьютера. Программы, которые могут быть выполнены компьютером без предварительной трансляции, называются исполняемыми программами или командами. Как обычному пользователю системы UNIX вам доступно множество стандартных программ и инструментальных средств. Если вы используете систему UNIX для написания программ и развития программного обеспечения, то вы также можете задействовать системные вызовы, подпрограммы и другие инструментальные средства. И, конечно, любая написанная вами программа будет в вашем распоряжении.

Этот раздел знакомит вас со многими программами и инструментальными средствами системы UNIX, которые вы будете использовать достаточно часто. Если вам будет необходима более полная информация по каким-либо стандартным программам, обратитесь к "Руководству программиста".

Что делают команды

Внешний круг системы UNIX образуют программы и инструментальные средства системы, разделенные на категории функционально. Эти функции включают:

программное окружение -

несколько программ системы UNIX, устанавливающих дружественное программное окружение, обеспечивающее интерфейсы между системой и языками программирования и использование обслуживающих программ;

обработка текстов -

система обеспечивает программы, такие как строковый и экранный редакторы, для создания и изменения текстов, орфографическую программу проверки для обнаружения ошибок орфографии, и необязательный форматер текста для создания высококачественных копий, которые подходят для публикаций;

организация информации -

система предоставляет много программ, которые позволяют вам создавать, организовывать и удалять файлы и каталоги;

обслуживающие программы -

инструментальные средства, создающие графику и выполняющие вычисления;

электронная связь -

несколько программ (например, mail) предоставляют вам возможность передавать информацию другим пользователям и в другие системы UNIX.

Как выполнять команды

Чтобы ваш запрос был понятен системе UNIX вы должны ввести каждую команду в корректном формате или синтаксисе командной строки. Этот синтаксис определяет порядок, в котором вы вводите компоненты командной строки. И вы должны расположить все составные части командной строки в требуемом синтаксисом порядке, иначе shell не сможет интерпретировать ваш запрос.

Пример синтаксиса командной строки:

command option(s) argument(s) <CR>

Для каждой командной строки системы UNIX вы должны ввести как минимум два компонента: имя команды и клавишу <RETURN>. (Обозначение <CR> используется в документации как инструкция для нажатия клавиши RETURN). Командная строка может также содержать ключи и аргументы. В указанном примере синтаксиса командной строки:
command - это имя программы, которую вы хотите выполнить;
option - ключи, которые указывают как запустить команду;
argument - указывает на данные, которые эта команда обрабатывает, обычно это имя каталога или файла.

В командной строке, которая включает ключи и/или аргументы, каждый компонент отделяется друг от друга по крайней мере одним пробелом. Если аргумент содержит пробел, его надо заключить в двойные кавычки. Например, если аргумент sample 1, то вы должны указать его в командной строке как "sample 1". Если вы позабудете поставить двойные кавычки, то shell будет интерпретировать sample и 1 как два отдельных аргумента.

Некоторые команды позволяют вам указывать несколько и/или аргументов в одной командной строке. Например:

Пример. ls -l -i file1 file2 file3 команда ключи аргументы

В этом примере команда ls использует два ключа -l и -i и три аргумента file1, file2 и file3. Ключ -l обеспечивает информацию в длинном формате, включая режим, владельца и размер, а ключ -i печатает номер inode. Система UNIX обычно позволяет вам группировать ключи, например -li, и выводить их в любом порядке. Этого нельзя делать с аргументами.

Невзирая на разное количество компонентов, не забудьте в конце командной строки нажать клавишу <RETURN>.

Чтобы выполнить команду, введите командную строку, когда на экране появится подсказка (например, символ #). Shell рассмотрит вашу команду как ввод, найдет один или более каталогов, чтобы вызвать программу, которую вы указали, и перенаправит ваш запрос вместе с затребованными программами ядру. Ядро последует инструкциям в программе и выполнит команду, которую вы запрашивали.

После завершения выполнения программы, shell сигнализирует, что готов выполнить следующую команду, напечатав подсказку.

Файловая система

Файловая система является краеугольным камнем операционной системы UNIX. Она обеспечивает логический метод организации, восстановления и управления информацией. Файловая система имеет иерархическую структуру.

Файл, который является основной единицей системы UNIX, может быть: обыкновенным файлом, справочником, специальным файлом или символическим каналом связи.

Обыкновенные файлы

Обыкновенные файлы являются набором символов. Обыкновенные файлы используются для хранения любой информации. Они могут содержать тексты для писем или отчетов, коды программ, которые вы написали, либо команды для запуска ваших программ. Однажды создав обыкновенный файл вы можете добавить нужный материал в него, удалить материал из него, либо удалить файл целиком.

Справочники

Справочники являются супер-файлами, которые могут содержать файлы или другие справочники. Обычно файлы, содержащиеся в них, устанавливают отношения каким-либо способом. Например, справочник, названный sales может хранить файлы, содержащие цифры ежемесячных продаж, названные jan, feb, mar, и т.д. Вы можете создать каталоги, добавить или удалить файлы из них или удалить каталоги.

Все справочники, которые вы создаете, будут размещены в вашем собственном справочнике. Этот справочник назначается вам системой во время входа в систему. Никто кроме привилегированных пользователей не может читать или записывать файлы в этот справочник без вашего разрешения и вы определяете структуру этого справочника.

Система UNIX также содержит несколько справочников для собственного использования. Структура этих справочников аналогична во всех системах UNIX. Этот справочник, включающий в себя несколько системных справочников, размещается непосредственно под справочником root. Справочник root (обозначенный /) является исходным в файловой структуре UNIX. Все справочники и файлы иерархически располагаются ниже.

Специальные файлы

Специальные файлы соответствуют физическим устройствам, таким как терминал, дисковое устройство, магнитная лента или канал связи. Ситема читает и записывает из/в специальные файлы также как и в обыкновенные файлы. Однако запросы системы на чтение и запись не приводят в действие нормальный механизм доступа к файлу. Вместо этого они активизируют драйвер устройства, связанный с файлом, приводя, возможно, в действие головки диска или магнитной ленты.

Символические каналы связи

Символические каналы связи - это файлы, которые указывают на другие файлы.

Базовые функции ОС UNIX

Операционная система UNIX - это набор программ, который управляет компьютером, осуществляет связь между вами и компьютером и обеспечивает вас инструментальными средствами, чтобы помочь вам выполнить вашу работу. Разработанная, чтобы обеспечить легкость, эффективность и гибкость программного обеспечения, система UNIX имеет несколько полезных функций:

основная цель системы - это выполнять широкий спектр заданий и программ;
интерактивное окружение, которое позволяет вам связываться напрямую с компьютером и получать немедленно ответы на ваши запросы и сообщения;
многопользовательское окружение, которое позволяет вам разделять ресурсы компьютера с другими пользователями без уменьшения производительности. Этот метод называется разделением времени. Система UNIX взаимодействует с пользователями поочередно, но так быстро, что кажется, что взаимодействует со всеми пользователями одновременно;
многозадачное окружение, которое позволяет вам выполнять более одного задания в одно и тоже время.

Файловая система ОС UNIX

Файловая система

Обыкновенные файлы

Справочники

Специальные файлы

Символические каналы связи

Символические каналы связи - это файлы, которые указывают на другие файлы.

Управление вводом-выводом ОС UNIX

Команды

Что делают команды

программное окружение -

обработка текстов -

организация информации -

обслуживающие программы -

инструментальные средства, создающие графику и выполняющие вычисления;

электронная связь -

Как выполнять команды

Пример синтаксиса командной строки:

command option(s) argument(s) <CR>

Некоторые команды позволяют вам указывать несколько и/или аргументов в одной командной строке. Например:

Пример. ls -l -i file1 file2 file3 команда ключи аргументы

Невзирая на разное количество компонентов, не забудьте в конце командной строки нажать клавишу <RETURN>.

Библиотека системных вызовов

Процессы

Процесс в ОС UNIX - это программа, выполняемая в собственном виртуальном адресном пространстве. Когда пользователь входит в систему, автоматически создается процесс, в котором выполняется программа командного интерпретатора. Если командному интерпретатору встречается команда, соответствующая выполняемому файлу, то он создает новый процесс и запускает в нем соответствующую программу, начиная с функции main. Эта запущенная программа, в свою очередь, может создать процесс и запустить в нем другую программу (она тоже должна содержать функцию main) и т.д.

Управление процессами подробно обсуждается в третьей части курса. Тем не менее кратко опишем здесь общий подход. Для образования нового процесса и запуска в нем программы используются два системных вызова (примитива ядра ОС UNIX) - fork() иexec (имя-выполняемого-файла). Системный вызов fork приводит к созданию нового адресного пространства, состояние которого абсолютно идентично состоянию адресного пространства основного процесса (т.е. в нем содержатся те же программы и данные).

Другими словами, сразу после выполнения системного вызова fork основной и порожденный процессы являются абсолютными близнецами; управление и в том, и в другом находится в точке, непосредственно следующей за вызовом fork. Чтобы программа могла разобраться, в каком процессе она теперь работает - в основном или порожденном, функция fork возвращает разные значения: 0 в порожденном процессе и целое положительное число (идентификатор порожденного процесса) в основном процессе.

Теперь, если мы хотим запустить новую программу в порожденном процессе, нужно обратиться к системному вызову exec, указав в качестве аргументов вызова имя файла, содержащего новую выполняемую программу, и, возможно, одну или несколько текстовых строк, которые будут переданы в качестве аргументов функции main новой программы. Выполнение системного вызова exec приводит к тому, что в адресное пространство порожденного процесса загружается новая выполняемая программа и запускается с адреса, соответствующего входу в функцию main.

В следующем примере пользовательская программа, вызываемая как команда shell, выполняет в отдельном процессе стандартную команду shell ls, которая выдает на экран содержимое текущего каталога файлов.

main()

{if(fork()==0) wait(0); /* родительский процесс */

else execl("ls", "ls", 0); /* порожденный процесс */

}

Пользователи и группы

Пользователи в Linux

Учётные записи

Linux — система многопользовательская, а потому пользователь — ключевое понятие для организации всей системы доступа в Linux. Когда пользователь регистрируется в системе (проходит процедуру авторизации, например, вводя системное имя и пароль), он идентифицируется с учётной записью, в которой система хранит информацию о каждом пользователе: его системное имя и некоторые другие сведения, необходимые для работы с ним. Именно с учётными записями, а не с самими пользователями, и работает система. Ниже приведён список этих сведений.

Системное имя (user name)

Это то имя, которое вводит пользователь в ответ на приглашение login:. Оно может содержать только латинские буквы и знак «_». Это имя используется также в качестве имени учётной записи.

Идентификатор пользователя (UID)

Linux связывает системное имя c идентификатором пользователя в системе — UID (User ID). UID — это положительное целое число, по которому система и отслеживает пользователей¹. Обычно это число выбирается автоматически при регистрации учётной записи, однако оно не может быть совершенно произвольным. В Linux есть некоторые соглашения относительно того, каким типам пользователей могут быть выданы идентификаторы из того или иного диапазона. В частности, UID от «0» до «100» зарезервированы для псевдопользователей².

Идентификатор группы (GID)

Кроме идентификационного номера пользователя с учётной записью связан идентификатор группы. Группы пользователей применяются для организации доступа нескольких пользователей к некоторым ресурсам. У группы, так же, как и у пользователя, есть имя и идентификационный номер — GID (Group ID). В Linux каждый пользователь должен принадлежать как минимум к одной группе — группе по умолчанию. При создании учётной записи пользователя обычно создаётся и группа, имя которой совпадает с системным именем³, именно эта группа будет использоваться как группа по умолчанию для этого пользователя. Пользователь может входить более чем в одну группу, но в учётной записи указывается только номер группы по умолчанию. Группы позволяют регулировать доступ нескольких пользователей к различным ресурсам.

Полное имя (full name)

Помимо системного имени в учётной записи содержится и полное имя (имя и фамилия) использующего данную учётную запись человека. Конечно, пользователь может указать что угодно в качестве своего имени и фамилии. Полное имя необходимо не столько системе, сколько людям — чтобы иметь возможность определить, кому принадлежит учётная запись.

Управление пользователями

Создание пользователей

Для создания полноценного пользователя Linux нужно выполнить несколько относительно независимых действий:

создать запись в /etc/passwd, где присвоить учётной записи уникальное имя, UID и пр.;
создать домашний каталог пользователя, обеспечить пользователю доступ к его домашнему каталогу (сделать его владельцем каталога);
поместить в домашний каталог стандартное наполнение (обычно конфигурационные файлы), взятое из /etc/skel;
модифицировать системные конфигурационные файлы, в частности, создать хранилище для приходящей почты для данного пользователя (/var/spool/mail/tester).

Все эти действия могут быть выполнены и вручную, однако это довольно неудобно и можно что-нибудь забыть. Для упрощения процесса используется утилита useradd (она же по традиции называется adduser), для выполнения которой, естественно, потребуются полномочия администратора. В простейшем случае достаточно будет двух шагов:

root@tacit ~# useradd testroot@tacit ~# passwd testpasswd: updating all authentication tokens for user test. You can now choose the new password or passphrase. . . . Enter new password:

Сначала useradd добавляет учётную запись (имя пользователя — единственный параметр, в нашем примере — test), заполняя её значениями по умолчанию и проводя все необходимые изменения в системе. С помощью дополнительных параметров при вызовеuseradd можно явно указать значение для того или иного поля учётной записи, также эта утилита позволяет модифицировать параметры создания пользователей по умолчанию. Подробности можно найти в руководстве useradd(8). Утилита passwd, вызванная с правами суперпользователя, позволяет назначить данному пользователю любой пароль. При этом сведения о предшествующем пароле данного пользователя (если таковой был), будут полностью утрачены. passwd, вызванная обычным пользователем (без параметров), позволяет ему сменить свой собственный пароль, но для этого потребуется ввести текущий пароль пользователя.

Существуют аналогичные useradd утилиты для модификации параметров уже существующей учётной записи (usermod) и для удаления пользователей (userdel). Пользователь также может изменить некоторые некритичные сведения в своей учётной записи самостоятельно. В частности, для установки своего полного имени и некоторых других информационных полей учётной записи служит утилита chfn(1) из пакета shadow-change, сменить начальную оболочку поможет утилита chsh(1) (позволяет выбрать только одну из оболочек, перечисленных в /etc/shells) из того же пакета. Обратите внимание, что в ALT Linux пользователь имеет право редактировать собственную учётную запись только в том случае, если установлен соответствующий режим доступа: команда control chsh должна возвращать public, аналогично control chfn. Установить нужный доступ может суперпользователь командой control chsh public (аналогично для chfn).

Самую востребованную операцию по работе с группами — добавление пользователя в группу — проще всего выполнить простым редактированием файла /etc/group. Достаточно открыть этот файл в любом текстовом редакторе (естественно, с правами суперпользователя), найти строчку, начинающуюся с названия нужной группы, и добавить в конец этой строки имя нужного пользователя через запятую). Для управления группами существует комплект утилит groupadd(8), groupdel(8), groupmod(8), подробности о работе с ними можно найти в соответствующих руководствах.

Основы работы с файлами

Разновидности файлов

Как мы неоднократно отмечали, в ОС UNIX понятие файла является универсальной абстракцией, позволяющей работать с обычными файлами, содержащимися на устройствах внешней памяти; с устройствами, вообще говоря, отличающимися от устройств внешней памяти; с информацией, динамически генерируемой другими процессами и т.д. Для поддержки этих возможностей единообразным способом файловые системы ОС UNIX поддерживают несколько типов файлов, наиболее существенные из которых мы рассмотрим в этом разделе.

Обычные файлы

Обычные (или регулярные) файлы реально представляют собой набор блоков (возможно, пустой) на устройстве внешней памяти, на котором поддерживается файловая система. Такие файлы могут содержать как текстовую информацию (обычно в формате ASCII), так и произвольную двоичную информацию. Файловая система не предписывает обычным файлам какую-либо структуру, обеспечивая на уровне пользователей представление обычного файла как последовательности байтов. Используя базовые системные вызовы (или функции библиотеки ввода/вывода, которые мы рассмотрим в разделе 4), пользователи могут как угодно структуризовать файлы. В частности, многие СУБД хранят базы данных в обычных файлах ОС UNIX.

Для некоторых файлов, которые должны интерпретироваться компонентами самой операционной системы, UNIX поддерживает фиксированную структуру. Наиболее важным примером таких файлов являются объектные и выполняемые файлы. Структура этих файлов поддерживается компиляторами, редакторами связей и загрузчиком. Однако, эта структура неизвестна файловой системе. Для нее такие файлы по-прежнему являются обычными файлами.

Файлы-каталоги

Наличие обычных файлов недостаточно для организации иерархических файловых систем. Требуется наличие каталогов, которые сопоставляют имена файлов или каталогов с их физическим описанием. Каталоги представляют собой особый вид файлов, которые хранятся во внешней памяти подобно обычным файлам, но структура которых поддерживается самой файловой системой.

Структура файла-каталога очень проста. Фактически, каталог - это таблица, каждый элемент которой состоит из двух полей: номера i-узла данного файла в его файловой системе и имени файла, которое связано с этим номером (конечно, этот файл может быть и каталогом). Если просмотреть содержимое текущего рабочего каталога с помощью команды ls -ai, то можно получить, например, следующий вывод:

inode File

number name

_________________________

33 .

122 ..

54 first_file

65 second_file

65 second_again

77 dir2

Этот вывод демонстрирует, что в любом каталоге содержатся два стандартных имени - "." и "..". Имени "." сопоставляется i-узел, соответствующий самому этому каталогу, а имени ".." - i-узел, соответствующий "родительскому" каталогу данного каталога. "Родительским" (parent) каталогом называется каталог, в котором содержится имя данного каталога. Файлы с именами "first_file" и "second_file" - это разные файлы с номерами i-узлов 54 и 65 соответственно. Файл "second_again" представляет пример так называемой жесткой ссылки: он имеет другое имя, но реально описывается тем же i-узлом, что и файл "second_file". Наконец, последний элемент каталога описывает некоторый другой каталог с именем "dir2".

Этот последний файл, как и любой обычный файл, хранится в файловой системе как набор блоков запоминающего устройства. Однако файловая система знает, что на самом деле это каталог со структурой, контролируемой файловой системой. Поэтому файлам-каталогам соответствует особый тип файла (обозначенный в их i-узлах), по отношению к которому возможно выполнение только специального набора системных вызовов:

mkdir, производящего новый каталог,

rmdir, удаляющий пустой (незаполненный) каталог,

getdents, позволяющего прочитать содержимое указанного каталога.

Отсутствует системный вызов, позволяющий прямо писать в файл-каталог. Какими бы правами вы не обладали по отношению к файлу-каталогу, прямая запись информации в него запрещена - прямое следствие фиксированной (и закрытой от пользователей) структуры файлов-каталогов. Запись в файлы-каталоги производится неявно при создании и уничтожении файлов и каталогов, однако читать из файла-каталога при наличии соответствующих прав можно (пример - стандартная утилита ls, которая как раз и пользуется системным вызовом getdents).

Специальные файлы

Специальные файлы не хранят данные. Они обеспечивают механизм отображения физических внешних устройств в имена файлов файловой системы. Каждому устройству, поддерживаемому системой, соответствует, по меньшей мере, один специальный файл. Специальные файлы создаются при выполнении системного вызова mknod, каждому специальному файлу соответствует порция программного обеспечения, называемая драйвером соответствующего устройства. При выполнении чтения или записи по отношению к специальному файлу, производится прямой вызов соответствующего драйвера, программный код которого отвечает за передачу данных между процессом пользователя и соответствующим физическим устройством.

При этом имена специальных файлов можно использовать практически всюду, где можно использовать имена обычных файлов. Например, команда

cp myfile /tmp/kuz

перепишет файл с именем myfile в подкаталог kuz рабочего каталога. В то же время, команда

cp myfile /dev/console

выдаст содержимое файла myfile на системную консоль вашей установки.

Различаются два типа специальных файлов - блочные и символьные (подробности см. в разделе 3.3). Блочные специальные файлы ассоциируются с такими внешними устройствами, обмен с которыми производится блоками байтов данных, размером 512, 1024, 4096 или 8192 байтов. Типичным примером подобных устройств являются магнитные диски. Файловые системы всегда находятся на блочных устройствах, так что в команде mount обязательно указывается некоторое блочное устройство.

Символьные специальные файлы ассоциируются с внешними устройствами, которые не обязательно требуют обмена блоками данных равного размера. Примерами таких устройств являются терминалы (в том числе, системная консоль), последовательные устройства, некоторые виды магнитных лент. Иногда символьные специальные файлы ассоциируются с магнитными дисками.

При обмене данными с блочным устройством система буферизует данные во внутреннем системном кеше. Через определенные интервалы времени система "выталкивает" буфера, при которых содержится метка "измененный". Кроме того, существуют системные вызовы sync и fsync, которые могут использоваться в пользовательских программах, и выполнение которых приводит к выталкиванию измененных буферов из общесистемного пула. Основная проблема состоит в том, что при аварийной остановке компьютера (например, при внезапном выключении электрического питания) содержимое системного кеша может быть утрачено. Тогда внешние блочные файлы могут оказаться в рассогласованном состоянии. Например, может быть не вытолкнут супер-блок файловой системы, хотя файловая система соответствует его вытолкнутому состоянию. Заметим, что в любом случае согласованное состояние файловой системы может быть восстановлено (конечно, не всегда без потерь пользовательской информации).

Обмены с символьными специальными файлами производятся напрямую, без использования системной буферизации.

Управление устройствами

Управление внешними устройствами - это одна из важнейших функций любой операционной системы. Система должна обеспечивать эффективный и удобный доступ к периферийным устройствам, а также обеспечивать возможность унифицированной разработки программного обеспечения для вновь подключаемых внешних устройств. Рассмотрим, как эта проблема решается в ОС UNIX.

Драйверы устройств

Любому программисту должно быть ясно, что простое объявление внешнего устройства специальным файлом не даст возможности работать с этим устройством, если не создан и соответствующим образом не подключен к системе специальный программный код, соответствующий специфике данного устройства. Как и в большинстве современных операционных систем, такого рода программный код в ОС UNIX называется драйвером устройства (в этом контексте слово драйвер лучше всего понимать в значении "управляющий").

Для профессионалов в области операционных систем драйверы ОС UNIX, в сущности, не представляют ничего нового. По-простому говоря, в любой системе драйвер устройства - это многовходовой программный модуль со своими статическими данными, который умеет инициировать работу с устройством, выполнять заказываемые пользователем обмены (на ввод или вывод данных), терминировать работу с устройством и обрабатывать прерывания от устройства. Однако, в любой операционной системе имеется своя технология разработки драйверов. В частности, в ОС UNIX различаются символьные, блочные и потоковые драйверы.

Символьные драйверы являются простейшими в ОС UNIX и предназначаются для обслуживания устройств, которые реально ориентированы на прием или выдачу произвольных последовательностей байтов (например, простой принтер или устройство ввода с перфоленты). Такие драйверы используют минимальный набор стандартных функций ядра UNIX, которые главным образом заключаются в возможности взять данные из виртуального пространства пользовательского процесса и/или поместить данные в такое виртуальное пространство.

Блочные драйверы - более сложные. Они работают с использованием возможностей системной буферизации блочных обменов ядра ОС UNIX. В число функций такого драйвера входит включение соответствующего блока данных в систему буферов ядра ОС UNIX и/или взятие содержимого буферной области в случае необходимости.

Наконец, наиболее сложной организацией отличаются потоковые драйверы. Фактически, такой драйвер представляет собой конвейер модулей, обеспечивающий многоступенчатую обработку запросов пользователя. Потоковые драйверы в среде ОС UNIX в основном предназначены для реализации доступа к сетевым устройствам, которые должны работать в соответствии с многоуровневыми сетевыми протоколами.

Подробности по поводу разных способов организации драйверов в ОС UNIX см. в разделе 3.3.

Последний момент, на который мы хотим обратить внимание в этом пункте, состоит в том, что (опять же, как и в большинстве развитых операционных систем) в ОС UNIX возможны два способа включения драйвера в состав ядра ОС. Первый способ состоит в полном включении драйвера в состав ядра на стадии генерации системы (т.е. драйвер статически объявляется частью ядра системы). Второй способ позволяет обойтись минимальным количеством статических объявлений на стадии генерации ядра (фактически, обеспечиваются лишь необходимые элементы статических таблиц). В любой момент работы системы такой драйвер может быть динамически загружен в ядро системы. После появления (статического или динамического) в ядре ОС UNIX драйверы всех разновидностей функционируют единообразно.

Принципы защиты

Поскольку ОС UNIX с самого своего зарождения задумывалась как многопользовательская операционная система, в ней всегда была актуальна проблема авторизации доступа различных пользователей к файлам файловой системы. Под авторизацией доступа мы понимаем действия системы, которые допускают или не допускают доступ данного пользователя к данному файлу в зависимости от прав доступа пользователя и ограничений доступа, установленных для файла. Схема авторизации доступа, примененная в ОС UNIX, настолько проста и удобна и одновременно настолько мощна, что стала фактическим стандартом современных операционных систем (не претендующих на качества систем с многоуровневой защитой).

Защита файлов

Как и принято в многопользовательской операционной системе, в UNIX поддерживается единообразный механизм контроля доступа к файлам и справочникам файловой системы. Любой процесс может получить доступ к некоторому файлу в том и только в том случае, если права доступа, описанные при файле, соответствуют возможностям данного процесса.

Защита файлов от несанкционированного доступа в ОС UNIX основывается на трех фактах. Во-первых, с любым процессом, создающим файл (или справочник), ассоциирован некоторый уникальный в системе идентификатор пользователя (UID - User Identifier), который в дальнейшем можно трактовать как идентификатор владельца вновь созданного файла. Во-вторых, с каждый процессом, пытающимся получить некоторый доступ к файлу, связана пара идентификаторов - текущие идентификаторы пользователя и его группы. В-третьих, каждому файлу однозначно соответствует его описатель - i-узел.

На последнем факте стоит остановиться более подробно. Важно понимать, что имена файлов и файлы как таковые - это не одно и то же. В частности, при наличии нескольких жестких связей с одним файлом несколько имен файла реально представляют один и тот же файл и ассоциированы с одним и тем же i-узлом. Любому используемому в файловой системе i-узлу всегда однозначно соответствует один и только один файл. I-узел содержит достаточно много разнообразной информации (большая ее часть доступна пользователям через системные вызовы stat и fstat), и среди этой информации находится часть, позволяющая файловой системе оценить правомощность доступа данного процесса к данному файлу в требуемом режиме.

Общие принципы защиты одинаковы для всех существующих вариантов системы: Информация i-узла включает UID и GID текущего владельца файла (немедленно после создания файла идентификаторы его текущего владельца устанавливаются соответствующими действующим идентификатором процесса-создателя, но в дальнейшем могут быть изменены системными вызовами chown и chgrp). Кроме того, в i-узле файла хранится шкала, в которой отмечено, что может делать с файлом пользователь - его владелец, что могут делать с файлом пользователи, входящие в ту же группу пользователей, что и владелец, и что могут делать с файлом остальные пользователи. Мелкие детали реализации в разных вариантах системы различаются. Для определенности мы приведем точную картину того, как это происходит в UNIX System V Release 4

Основные функции и компоненты ядра ОС UNIX

Ядро ОС UNIX

Как и в любой другой многопользовательской операционной системе, обеспечивающей защиту пользователей друг от друга и защиту системных данных от любого непривилегированного пользователя, в ОС UNIX имеется защищенное ядро, которое управляет ресурсами компьютера и предоставляет пользователям базовый набор услуг.

Следует заметить, что удобство и эффективность современных вариантов ОС UNIX не означает, что вся система, включая ядро, спроектирована и структуризована наилучшим образом. Как мы показали в первой части курса, ОС UNIX развивалась на протяжении многих лет (это первая в истории операционная система, которая продолжает завоевывать популярность в таком зрелом возрасте - уже больше 25 лет). Естественно, наращивались возможности системы, и, как это часто бывает в больших системах, качественные улучшения структуры ОС UNIX не поспевали за ростом ее возможностей.

В результате, ядро большинства современных коммерческих вариантов ОС UNIX (как мы отмечали ранее, почти все они основаны на UNIX System V) представляет собой не очень четко структуризованный монолит большого размера. По этой причине программирование на уровне ядра ОС UNIX продолжает оставаться искусством (если не считать отработанной и понятной технологии разработки драйверов внешних устройств). Эта недостаточная технологичность организации ядра ОС UNIX многих не удовлетворяет. Отсюда стремление к полному воспроизведению среды ОС UNIX при полностью иной организации системы (в частности, с применением микроядерного подхода, который мы кратко рассмотрим в конце курса).

По причине наибольшей распространенности в этом подразделе мы в основном обсуждаем ядро UNIX System V (можно считать его традиционным). В конце курса мы обсудим отличия в организации ядра других ветвей иерархии вариантов ОС UNIX.

Управление памятью

Основная (или как ее принято называть в отечественной литературе и документации, оперативная) память всегда была и остается до сих пор наиболее критическим ресурсом компьютеров. Если учесть, что большинство современных компьютеров обеспечивает 32-разрядную адресацию в пользовательских программах, и все большую силу набирает новое поколение 64-разрядных компьютеров, то становится понятным, что практически безнадежно рассчитывать, что когда-нибудь удастся оснастить компьютеры основной памятью такого объема, чтобы ее хватило для выполнения произвольной пользовательской программы, не говоря уже об обеспечении мультипрограммного режима, когда в основной памяти, вообще говоря, могут одновременно содержаться несколько пользовательских программ.

Поэтому всегда первичной функцией всех операционных систем (более точно, операционных систем, обеспечивающих режим мультипрограммирования) было обеспечение разделения основной памяти между конкурирующими пользовательскими процессами. Мы не будем здесь слишком сильно вдаваться в историю этого вопроса. Заметим лишь, что применявшаяся техника распространяется от статического распределения памяти (каждый процесс пользователя должен полностью поместиться в основной памяти, и система принимает к обслуживанию дополнительные пользовательские процессы до тех пор, пока все они одновременно помещаются в основной памяти), с промежуточным решением в виде "простого своппинга" (система по-прежнему располагает каждый процесс в основной памяти целиком, но иногда на основании некоторого критерия целиком сбрасывает образ некоторого процесса из основной памяти во внешнюю память и заменяет его в основной памяти образом некоторого другого процесса), до смешанных стратегий, основанных на использовании "страничной подкачки по требованию" и развитых механизмов своппинга.

Операционная система UNIX начинала свое существование с применения очень простых методов управления памятью (простой своппинг), но в современных вариантах системы для управления памятью применяется весьма изощренная техника.

Управление процессами и нитями

Взаимодействие процессов

Каждый процесс в ОС UNIX выполняется в собственной виртуальной памяти, т.е. если не предпринимать дополнительных усилий, то даже процессы-близнецы, образованные в результате выполнения системного вызова fork(), на самом деле полностью изолированы один от другого (если не считать того, что процесс-потомок наследует от процесса-предка все открытые файлы). Тем самым, в ранних вариантах ОС UNIX поддерживались весьма слабые возможности взаимодействия процессов, даже входящих в общую иерархию порождения (т.е. имеющих общего предка).

Очень слабые средства поддерживались и для взаимной синхронизации процессов. Практически, все ограничивалось возможностью реакции на сигналы, и наиболее распространенным видом синхронизации являлась реакция процесса-предка на сигнал о завершении процесса-потомка.

По-видимому, применение такого подхода являлось реакцией на чрезмерно сложные механизмы взаимодействия и синхронизации параллельных процессов, существовавшие в исторически предшествующей UNIX ОС Multics. Напомним (см. раздел 1.1), что в ОС Multics поддерживалась сегментно-страничная организация виртуальной памяти, и в общей виртуальной памяти могло выполняться несколько параллельных процессов, которые, естественно, могли взаимодействовать через общую память. За счет возможности включения одного и того же сегмента в разную виртуальную память аналогичная возможность взаимодействий существовала и для процессов, выполняемых не в общей виртуальной памяти.

Для синхронизации таких взаимодействий процессов поддерживался общий механизм семафоров, позволяющий, в частности, организовывать взаимное исключение процессов в критических участках их выполнения (например, при взаимно-исключающем доступе к разделяемой памяти). Этот стиль параллельного программирования в принципе обеспечивает большую гибкость и эффективность, но является очень трудным для использования. Часто в программах появляются трудно обнаруживаемые и редко воспроизводимые синхронизационные ошибки; использование явной синхронизации, не связанной неразрывно с теми объектами, доступ к которым синхронизуется, делает логику программ трудно постижимой, а текст программ - трудно читаемым.

Понятно, что стиль ранних вариантов ОС UNIX стимулировал существенно более простое программирование. В наиболее простых случаях процесс-потомок образовывался только для того, чтобы асинхронно с основным процессом выполнить какое-либо простое действие (например, запись в файл). В более сложных случаях процессы, связанные иерархией родства, создавали обрабатывающие "конвейеры" с использованием техники программных каналов (pipes). Эта техника особенно часто применяется при программировании на командных языках (см. раздел 5.2).

Долгое время отцы-основатели ОС UNIX считали, что в той области, для которой предназначался UNIX (разработка программного обеспечения, подготовка и сопровождение технической документации и т.д.) этих возможностей вполне достаточно. Однако постепенное распространение системы в других областях и сравнительная простота наращивания ее возможностей привели к тому, что со временем в разных вариантах ОС UNIX в совокупности появился явно избыточный набор системных средств, предназначенных для обеспечения возможности взаимодействия и синхронизации процессов, которые не обязательно связаны отношением родства (в мире ОС UNIX эти средства обычно называют IPC от Inter-Process Communication Facilities). С появлением UNIX System V Release 4.0 (и более старшей версии 4.2) все эти средства были узаконены и вошли в фактический стандарт ОС UNIX современного образца.

Нельзя сказать, что средства IPC ОС UNIX идеальны хотя бы в каком-нибудь отношении. При разработке сложных асинхронных программных комплексов (например, систем реального времени) больше всего неудобств причиняет избыточность средств IPC. Всегда возможны несколько вариантов реализации, и очень часто невозможно найти критерии выбора. Дополнительную проблему создает тот факт, что в разных вариантах системы средства IPC реализуются по-разному, зачастую одни средства реализованы на основе использования других средств. Поэтому эффективность реализации различается, из-за чего усложняется разработка мобильных асинхронных программных комплексов.

Тем не менее, знать возможности IPC, безусловно, нужно, если относиться к ОС UNIX как к серьезной производственной операционной системе. В этом разделе мы рассмотрим основные стандартизованные возможности в основном на идейном уровне, не вдаваясь в технические детали.

Порядок рассмотрения не отражает какую-либо особую степень важности или предпочтительности конкретного средства. Мы начинаем с пакета средств IPC, которые появились в UNIX System V Release 3.0. Этот пакет включает:

средства, обеспечивающие возможность наличия общей для процессов памяти (сегменты разделяемой памяти - shared memory segments);
средства, обеспечивающие возможность синхронизации процессов при доступе к совместно используемым ресурсам, например, к разделяемой памяти (семафоры - semaphores);
средства, обеспечивающие возможность посылки процессом сообщений другому произвольному процессу (очереди сообщений - message queues).

Эти механизмы объединяются в единый пакет, потому что соответствующие системные вызовы обладают близкими интерфейсами, а в их реализации используются многие общие подпрограммы. Вот основные общие свойства всех трех механизмов:

Для каждого механизма поддерживается общесистемная таблица, элементы которой описывают всех существующих в данный момент представителей механизма (конкретные сегменты, семафоры или очереди сообщений).
Элемент таблицы содержит некоторый числовой ключ, который является выбранным пользователем именем представителя соответствующего механизма. Другими словами, чтобы два или более процесса могли использовать некоторый механизм, они должны заранее договориться об именовании используемого представителя этого механизма и добиться того, чтобы тот же представитель не использовался другими процессами.
Процесс, желающий начать пользоваться одним из механизмов, обращается к системе с системным вызовом из семейства "get", прямыми параметрами которого является ключ объекта и дополнительные флаги, а ответным параметром является числовой дескриптор, используемый в дальнейших системных вызовах подобно тому, как используется дескриптор файла при работе с файловой системой. Допускается использование специального значения ключа с символическим именем IPC_PRIVATE, обязывающего систему выделить новый элемент в таблице соответствующего механизма независимо от наличия или отсутствия в ней элемента, содержащего то же значение ключа. При указании других значений ключа задание флага IPC_CREAT приводит к образованию нового элемента таблицы, если в таблице отсутствует элемент с указанным значением ключа, или нахождению элемента с этим значением ключа. Комбинация флагов IPC_CREAT и IPC_EXCL приводит к выдаче диагностики об ошибочной ситуации, если в таблице уже содержится элемент с указанным значением ключа.
Защита доступа к ранее созданным элементам таблицы каждого механизма основывается на тех же принципах, что и защита доступа к файлам.

Перейдем к более детальному изучению конкретных механизмов этого семейства.

Командные языки и командные интерпретаторы

Команды и утилиты

Что действительно существенно при интерактивной работе в среде ОС UNIX, это знание и умение пользоваться разнообразными утилитами или внешними командами языка shell. Многие из этих утилит являются не менее сложными программами, чем сам командный интерпретатор (и между прочим, командный интерпретатор языка shell сам является одной из утилит, которую можно вызвать из командной строки). В этом разделе мы коротко обсудим, как устроены внешние команды shell и что нужно сделать, чтобы создать новую внешнюю команду.

Пользователь

Интерфейс пользователя

Привилегированный пользователь

Программы

Текстовые файлы производятся с помощью одного из текстовых редакторов(vi).

После того как текстовый файл создан, его нужно откомпилировать для получения объектного файла. (pcc и gcc)

Команды

Процессы

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-05-08; Просмотров: 179; Нарушение авторского права страницы